迎采動沿空掘巷圍巖控制技術方案研究

丁向勇，馬振宇，王燕妮

(1.彬縣煤炭有限責任公司蔣家河礦， 陜西 咸陽 713500； 2.彬縣煤炭有限責任公司， 陜西 咸陽 713500)

1 引言

煤礦資源一直是各個國家的重要發展資源，其帶來的資源收益也是各資源型國家收益的重要組成部分。但是我國國有的大型煤礦的出采率一直比發達國家低，煤炭的資源浪費也比較嚴重。因此，如何提高煤礦的出采率，減少煤礦資源的浪費是我們的重要研究對象(張杰，2021)。

我國在煤礦開采應用較多的技術是綜放開采，此開采技術通常是用中厚層或厚層煤礦開采理論作為理論依據的，雖然此技術在我國有了較長時間的發展，并有著一定的應用成果，但其理論研究還很片面，因此在煤礦開采過程中會有一定程度的損失和不安全性，為了減少這些資源損失，提高采礦效率，我國許多的專家學者針對大量的實際數據對應用技術進行了分析研究，通過建立相關的力學模型，研究相關的理論原理，提出了相對應的沿空掘巷圍巖控制技術(Chu，2018；袁振華，2020)。

本文以蔣家河煤礦ZF211工作面為工程背景，對迎采動沿空掘巷進行了理論分析和數值模擬分析，分析了迎采動影響下的煤柱寬度和沿空掘巷圍巖控制技術的相關性，提出了更加科學的工作面支護技術，為煤礦的迎采動沿空掘巷提供了真實有效、可靠的數據信息和參考。

2 研究內容和方法

2.1 工程概況

蔣家河煤礦ZF211工作面應用的是綜放開采的采煤技術，其工作面采的是4號煤層，煤層平均厚度4.0 m，煤層傾角是6.5°，且工作面所在的煤層煤塵有爆炸的危險性，也是可能發生自燃的煤層。經過實驗室的鑒定結果和專家的審核，蔣家河4號煤層是具有弱沖擊傾向性的弱沖擊危險性工作面。其工作面的煤層頂底板情況如表1所示。

由于在蔣家河礦井開采4號煤層受到了沉積作用的影響，開采區域的含水層和其他層構成了復雜的地質結構，如何在開采區域留設合理的煤柱寬度，采用科學有效的支護方案，以此來保證留設煤柱的穩定性對沿空掘巷十分關鍵。

表1 ZF211工作面煤層情況

2.2 迎采動沿空掘巷

對煤礦的開采是一個破壞原有巖石平衡應力的過程，會使煤層的應力場發生改變。維護或減少巷道受到的影響，不僅需要考慮巷道自身的自然條件，還需要減弱采動的影響(靳華等，2021)。如圖1所示，為巷道頂板結構的穩定期。

圖1 巷道頂板穩定的四個時期

迎采動工作面沿空掘巷是在煤礦挖掘的中期掘進巷道的，并在其中占據了主要部分，對其各個時期的分析有助于對其穩定性的研究。本文對迎采動沿空掘巷進行了分析研究，其過程可以為其圍巖控制的技術方案提供理論依據，從而幫助實驗順利進行。

2.3 煤柱寬度和圍巖控制技術研究

為了能夠較準確的計算出適合工作面開采工作的煤柱寬度，分別從內外應力場理論、傳統應力極限平衡理論和A.H.Wilson煤柱寬度計算三個理論計算得到蔣家河ZF211工作面的煤柱寬度范圍，并進行煤柱寬度的確定(李少華，2021)。然后再進行理論數據計算出的煤柱寬度的模擬實驗，選取了理論計算出的煤柱寬度及另外兩組方案進行數據對比，得出可靠實驗數據結果。

內外應力場計算公式：

(1)

式(1)中：L是工作面的長度；Ni是基本頂的厚度；β是基本頂平均容重；Φt是基本頂抗拉強度；p是基本頂承受的載荷；G0是斷裂處的煤體剛度；b0是煤壁的壓縮量。

通過蔣家河煤礦ZF211工作面的參數測試結果，就可以用式(1)計算出應力場理論下的煤柱寬度。傳統應力極限平衡理論計算公式：

(2)

式(2)中：D是煤體應力極限平衡區的寬度；H是工作面煤層厚度；μ是側壓系數；A0是滑移面內聚力；θ0是滑移面內摩擦的角度，一般是煤體強度的0.6倍，T0是側向采動應力系數；p是上覆巖層壓力；py是煤幫的支護阻力；?是煤層傾角。

再結合煤體的垂直應力和剪應力，就可以用此理論計算出適合工作面的煤柱寬度。

A.H.Wilson煤柱寬度計算公式：

D=μHT

(3)

式(3)中：μ是經過試驗得出的常量；H是工作面煤層厚度；T是開采的深度。

以上三式都可以得到一個工作面的煤柱寬度，將這些煤層厚度和開采的深度作為變量，對得到的煤柱寬度進行分析，得出最合理的工作面煤柱寬度(Fang et al.,2021；蘇杰，2021)。

確定了煤柱寬度后，以工作面的支護方案為研究對象，合適的支護方案可以較好的控制住巷道變形的情況，因此支護錨桿的支護強度、錨固體的性能、合適的錨桿支護技術都將對巷道圍巖穩定產生非常重要的影響。

3 迎采動沿空掘巷圍巖控制技術方案的分析研究

3.1 迎采動沿空掘巷穩定性分析

對于煤礦開采時期的煤層建立巖層結構，對其進行理論分析發現，掘巷前的結構是比較穩定的。在迎采動時，因為工作面回采帶來的應力影響，開采巷道的圍巖應力在不斷增加，而且巷道圍巖的變形也隨之逐漸增加，此時需要采取合適的支護方法以減小對上覆巖層結構的影響，使巷道圍巖處于穩定狀態。

沿空掘巷時期，隨著開采工作的不斷進行，巷道會逐漸與工作面水平相會。當巷道的一邊出現窄煤柱，上覆巖層結構會發生較大的改變，工作面中的直接頂也會發生規則或不規則的下沉，最終會發生基本頂離層的現象。基本頂的巖層也會隨之彎曲下沉直至斷裂(Zhang et al.,2018；梁小軍，2021)。

工作面在采動期間發生變形是不可避免的，巷道在適應變形的同時需要加強錨桿支護和其他措施，保證巷道的穩定，從而保證工作面正常的開采工作。并且在工作面發生變形的前后應該監測收集基本數據，為煤柱寬度的研究提供基礎的數據信息(茍瑾，2018)。

3.2 煤柱寬度的分析討論

煤柱寬度和工作面出采率的關系曲線如圖2所示。

圖2 煤柱寬度和工作面出采率的關系曲線

當工作面中留有的煤柱寬度越大時，此工作面的出采率越小，而煤柱寬度又與工作面的安全性、穩定性有關，因此，找到適合工作面的煤柱寬度將會更有助于煤體的開采。

工作面需要煤柱留設時，也就意味著工作面出現了塑性區和破碎區，而煤柱是為了穩定區域，讓煤層開采得以順利進行。由于煤柱沒有應力集中區，因此煤柱的受力并不大，煤柱寬度需要適當的大些，但是為了避免煤柱寬度的增大讓巷道變形增加得過于劇烈，煤柱寬度不能過大(劉玉平，2021；張兵強，2021)。綜上所述，工作面的合理性煤柱寬度需要結合多方面的數據和影響因素。

從內外應力場理論、傳統極限平衡理論和兩區約束理論進行分析，研究上覆巖層壓力等對塑性區寬度的影響，總結其規律分布，為煤柱寬度確定提供理論依據(Phuc et al.，2020；張樹林，2021)。

根據三個理論的煤柱寬度計算公式，計算出合理的煤柱寬度應該小于7.5 m，綜合考慮開采區積水、煤體強度等因素的影響，煤柱寬度的合理值應該在4 m以上。考慮到煤柱的位置應該避免高應力的影響，因此煤柱的位置應該有1.5 m左右的偏移，因此理論數據上煤柱的合理寬度應該是6 m。

3.3 圍巖控制技術方案

巷道的支護方案需要選擇正確的錨桿支護理論，各種支護理論如圖3所示。

傳統的錨桿支護理論分別有：組合梁理論、組合拱理論、懸吊理論、最大水平應力理論等，這些理論是以假說為基礎，從不同的角度和不同的條件敘述錨桿支護的作用機理，不同的支護理論有著不同適用的工作面巖層情況。

結合理論分析蔣家河ZF211工作面的實際情況，需要新的支護理論。通過大量的理論研究和試驗，針對此工作面的情況提出了錨桿支護圍巖強度強化理論，該理論在應用了錨桿支護的基礎上，擴大了錨桿支護的使用范圍，為巷道圍巖破碎的錨桿支護提供了依據(陳曉翔等，2020)。

在對高地應力強采影響下巖體發生變形和破壞的煤礦巷道進行圍巖支護時，必須考慮到煤和巖體的破壞強度、變形特征以及錨桿對圍巖強度和參與強度的作用，這樣才能使得巷道錨桿支護圍巖強度強化理論可以在實際中應用。在對圍巖進行支護時，要將圍巖和支護錨桿看成一體，錨桿可以增加圍壓，改善巷道圍巖的應力情況，讓有著脆延性轉化性能、發生了變形破壞和強度變小特征的破裂圍巖有所改善，從而控制巷道圍巖的變形和破壞(顧國民，2022)。對需要支護的巷道的錨桿支護原則，如表2所示。

在錨桿支護設計過程中，錨桿支護參數理論的計算是其中的重點工作，其相互匹配的支護設計原則就是以錨桿參數作為核心，通過錨桿預緊力、錨桿支護參數和錨索支護參數等的計算，形成相應工作面最為合理的錨桿支護參數，進而完成合理的錨桿支護(申艷軍等，2022；楊朋博等，2022)。

在煤體進行迎采動沿空掘巷開采時，其巷道的煤柱幫破壞已經較為嚴重了，在確定的煤柱上需要注漿加固，以此來提高煤柱幫的承載能力，避免其失去相應的作用。根據其注漿加固參數的理論進行計算，得到最適合煤柱幫的注漿量。除此之外，巖石強度和巷道圍巖強度都會受到其含水量的影響，因此還需要考慮煤幫的含水量對巷道圍巖穩定性的影響。

巷道圍巖的含水情況可能會對煤柱側采空區帶來水害，在開采過程中需要實時監測井下水量的變化，嚴防水害事故的發生(張星江，2022)。

在煤礦巷道錨桿支護時，支護的形式和參數、支護的材料和構件、支護的施工及施工檢測監測以及質量評定等都必須符合國家相應的標準化要求，使整個錨桿支護的過程也形成標準化。此外，巷道的注漿加固同樣也要符合標準化，從而確定工作的有效性。對巷道進行標準化的錨桿支護后，也不能對巷道圍巖的變形和破壞情況掉以輕心，需要利用技術手段監測支護體和圍巖的各項數據變化情況，確保錨桿設計是合理可靠的，確定巷道圍巖是穩定安全的(劉振華，2022)。

通過這些手段得到了相對煤體工作面巷道支護錨桿方案的參數，形成全方位的支護技術支持和數據理論支持，讓迎采動沿空掘巷圍巖得到最為有效、安全可靠的控制。

4 結論與展望

本文通過對蔣家河ZF211工作面不同的支撐應力和采動應力影響規律的分析研究，確定了ZF211工作面煤層迎采動的影響范圍；通過對工作面不同煤柱寬度的應力演化規律的研究發現，當煤柱寬度為6 m時窄煤柱將處于相對安全的低應力狀態，從而保證煤柱的穩定性。在對巷道進行監測后發現，巷道的穩定過程就是動態平衡的過程，在充分考慮了掘進成本、安全和材料等多種因素下，用數值模擬軟件分析的支錨桿支護方案是科學和有效的。本文對蔣家河煤礦的迎采動沿空掘巷圍巖控制技術的試驗提供了新的巷道圍巖的控制經驗和理論，但是試驗場所范圍是有限的，要形成一整套的理論還需要研究人員進行大量的試驗研究。此次試驗研究也給今后的研究提供了數據和理論基礎，具有一定的參考價值，隨著關于迎采動沿空掘巷圍巖控制技術研究的加強，會增加煤礦開采的效率，減少資源浪費，帶來更好的社會效益。